KR20150144782A - 통합 조명을 갖는 반응기 - Google Patents

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사무엘 지루
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Abstract

반응기(10)는 예로서, 미생물로부터 형성된 처리 대상 물질을 수용하는 목적의 탱크(11)를 포함하고, 이 탱크는 처리 대상 물질의 교반을 보증하기 위한 목적으로 축 Z-Z을 중심으로 회전하는 조립체(12)와 이 물질의 처리를 돕기 위한 목적의 복수의 조명 공급원(13)을 구비하며, 상기 탱크는 판(14)이 고정되는 내부 벽을 가지고, 판은 회전 조립체의 축을 향해 그리고 그에 평행하게 배치됨으로써 회전 조립체의 작용 하에 처리 대상 물질 내의 소용돌이의 형성을 방지하고; 상기 조명 공급원은 상기 판에 의해 지탱되며, 적어도 이들을 지탱하는 상기 판의 부분과 함께, 상기 광이 탱크 내로 확산될 수 있게 하는 두께의 처리 대상 물질과 공존할 수 있는 재료에 캡슐화된다. 이러한 구성은 탱크의 체적에 대한 조명 표면의 비율을 대략 일정하게 유지하면서 다른 규모로 변경될 수 있다.

Description

통합 조명을 갖는 반응기 {REACTOR WITH INTEGRATED ILLUMINATION}
본 발명은 특히 감광 미생물의 배양을 위해 구성된 통합 조명을 갖는 반응기에 관한 것이다. 이는 생물반응기일 수 있지만 화학 또는 물리화학 반응기일 수도 있다.
생물반응기 또는 생물학적 반응기의 개념은 본 명세서에서, 유출물의 처리 및 유가치한 생물분자(즉, 활용 방식이 알려져 있는 생물분자)를 포함하는 바이오매스의 생산 같은 매우 다양한 분야에서 미생물(특히, 미소 조류)의 컨소시엄 또는 순수 미생물의 배양의 성장 같은 생물학적 현상이 내부에서 발현되는 반응기를 나타낸다. 따라서 이러한 개념은 특히 발효통이라 지칭되는 반응기를 포함한다.
반응기는 통상적으로 폐쇄 탱크를 포함하며, 이 폐쇄 탱크 내에는 탱크의 내용물의 균질화를 촉진하도록 구성된 혼합 또는 교반 부재가 장착되어 있으며; 이런 혼합 부재는 일반적으로 블레이드나 터빈을 보유한 수직 샤프트에 의해 구성되고, 그 이동은 반응기 내에서 처리되는 물질에 혼합 및 그 균질성을 제공한다.
다양한 유형의 동작 조건이 이런 생물반응기 또는 발효통 내부의 생물학적 종(species)의 성장을 위해 필요할 수 있으며; 따라서, 특히, 성장 체계는 유기영양식(당 같은 탄소의 공급원의 제공 동반), 광의 제공을 동반한 자가영양식(또는 광합성 무기영양)(용어 광합성도 사용됨) 또는 혼합영양식(광 공급원과 탄소의 공급원의 제공 동반)인 성장 체계가 알려져 있다. 이러한 주제에 대한 과학적 접근법은 특히 Katsuda 등의 문헌 "Astaxanthin production by Haematococcus pluvialis under illumination with LEDs"(Enzyme and Microbial Technology 35 (2004) 81-86에 게재)과, Wang 등의 문헌 "Effects of using light-emitting diodes on the cultivation of Spirulina platensis"(Biochemical Engineering Journal 37 (2007) 21-25에 게재)에서 다루어져있다.
주광의 스펙트럼에 근접한 또는 상반되는, 선택된 파장에 좁게 중심설정된 스펙트럼을 갖는, 연속적, 주기적(수분 내지 수시간까지 변할 수 있는 길이의 사이클) 또는 심지어 섬광형 방식의 펄스 형태의 광의 제공 같은 다양한 구성이 이행을 위해 이미 제안되어 있다. 이런 광의 제공을 위해 구성된 반응기는 때때로 광반응기 또는 광생물반응기라 지칭된다(이들이 생물학적 처리의 장소인 경우).
잘 알려진 구성은 예로서 탱크의 크기에 따라서 6개와 12개 사이인, 탱크의 외측으로부터 생성된 광의 침투를 가능하게 하는 윈도우를 갖는 탱크를 제공하는 것으로 이루어진다. 이런 윈도우는 실제로 5 내지 20 cm의 직경으로 이루어질 수 있다. 이런 구성의 단점은 윈도우가 조명의 표면적을 제한하고, 광 공급원에 의해 방출되는 광자의 상당한 부분을 흡수 또는 반사한다는 점이다.
이 때문에, 탱크 내에 광 공급원이 이식되는 다른 구성이 제안되었다.
따라서, 문헌 WO-2002/086053은 윈도우를 구비한 탱크의 경우를 언급한 이후, 성장 탱크 및 성장 탱크와 소통하면서 광 공급원을 구비하는 조명 탱크를 포함하고, 광 공급원은 바람직하게는 해당 조명 탱크 내부에 배치되며, 하나의 탱크로부터 다른 탱크로 미생물을 순환시키기 위한 시스템을 구비하는 조립체를 게시하고 있으며; 조명 탱크는 실제로 관형이고, 미생물의 유동이 동요상태가 되는 것을 보증하기 위해 편향기를 포함하고; 광 공급원은 바람직하게는 조명 탱크와 동심이고, 금속 할라이드 램프, 예로서, 고압 나트륨 램프에 의해 구성될 수 있다. 이 성장 탱크를 위해, 미생물 물질에 침지된 유리 튜브로부터 형성되거나 탱크 벽에 의해 포함된 윈도우를 통한 조명을 제공하는 광 공급원을 추가로 포함하는 것이 권장된다.
문헌 US-2010/0190227(국제 특허 출원 WO-2008/145719로부터 파생됨)은 발광 다이오드(줄여서, LED)가 통합되는 몰딩된 플라스틱 재료로 이루어진 부품을 포함하는 생물반응기에 관한 것이며; 탱크의 내부 벽이 장비될 때 이 부품은 판 또는 스트립이 되는 것으로 고려되지만, 고려된 실시예에 예시된 바와 같이, 이들 광 공급원이 반응기 내에 배치될 때 이들 부품은 바람직하게는 다발을 이루는 관형인 것이 권장되며, 이 경우, 다이오드는 탱크 커버를 통해 전력을 수용한다. LED 다이오드는 예로서 적색 범위에서 발광한다. 이들이 내부에 이식되게 되는 플라스틱 재료는 실리콘이다.
또한, 문헌 US-7　824　904은 혼합 장치가 램프, 전구 또는 LED 같은 광 공급원을 보유하는 혼합 블레이드를 포함하는 반응기를 게시한다.
WO-2011/154886에 관하여, 이는 회전 조립체에 결합된 조명 시스템을 포함하는 동일 반응기를 게시한다.
이들 다양한 문헌은 탱크 외측에서 광을 생성하고 이를 탱크에 진입시키는 사실은 일반적으로 효율이 불충분한 것으로 고려된다는 것과, 양호한 효율은 광 공급원이 바람직하게는 내부에 배치된 회전 조립체 상에서 탱크 내에 수용되는 실제 물질 내부에 배치되는 것을 필요로 하는 것으로 매우 널리 고려되고 있다는 것을 보여주며; 외측에 대한 이들 공급원의 연결을 위해 다양한 해결책이 제안되었다.
반응기 내의 조명의 유용성이 생물학적 처리에 한정되지 않으며; 따라서, UV 방사선은 처리 대상 매체를 살균하기 위해 유용할 수 있고(예로서, 문헌 US-4,456,512 참조); 또한, 가시적이거나 그렇지 않을 수 있는 광 방사선이 화학 반응 또는 물리-화학 처리를 촉진할 수 있는 경우들이 있다는 것을 주목할만 하다.
본 발명은 반응기에 관한 것으로, 이 반응기의 탱크 내에는 광 공급원이, 이들 광 공급원의 통합을 위해 탱크에 대해 이루어지는 변경을 최소화하면서 탱크 내에 수용된 처리 대상 물질의 효과적 조명을 가능하게 하도록 배치된다.
이를 위해, 본 발명은 처리 대상 물질을 수용하도록 구성된 탱크를 포함하는 반응기를 제공하며, 이 탱크는 처리 대상 해당 물질의 혼합을 제공하도록 구성된 축 둘레로 회전하는 조립체를 구비하며, 또한, 해당 물질의 처리를 촉진하도록 구성된 복수의 조명 공급원을 구비하고, 상기 탱크는 판이 체결되는 내부 벽을 구비하고, 판의 평면은 회전 조립체의 회전 축을 향해 배향되고 그에 평행하며, 그에 의해, 회전 조립체의 작용 하에 처리 대상 물질 내의 소용돌이의 형성을 방지하며, 상기 조명 공급원은 상기 판에 의해 보유되고, 탱크의 내부를 향해 상기 광이 분산될 수 있게 하는 두께를 갖는, 처리 대상 물질과 공존할 수 있는 재료 내에 적어도 조명 공급원을 보유하는 판들의 부분과 함께 캡슐화된다.
처리 대상 물질은 액체, 페이스트 또는 미립자이며, 즉, 혼합될 수 있도록 충분한 유동성을 갖는다는 것을 이해할 수 있다. 예로서, 성장 및/또는 농후화를 촉진하는 것을 원하는 미생물일 수 있지만; 이 물질은 또한 매우 유동적 물질일 수 있거나 반대로 예로서, 양호한 살균을 제공하는 것이 바람직한 과립체일 수도 있다.
따라서, 본 발명은 특정 수의 반응기 탱크가, 회전 조립체로부터 거리를 유지하면서 그 내부 벽으로부터 탱크의 중심을 향해 연장하는 판을 포함한다는 사실의 장점을 취하며(탱크는 일반적으로 원통형이며, 그래서, 이들 판은 반경방향으로 배향됨); 이런 판은 종종 배플이라 지칭되며, 일반적으로 혼합 블레이드를 구비하는 회전 조립체에 의해 매우 사나운 혼합이 수행될 때 탱크 내부의 소용돌이의 발생을 피하도록 구성된다. 광 공급원이 이런 판에 의해 보유된다는 사실은 알려진 구현된 해결책보다 매우 더 양호한 S/V 비율(탱크 체적에 대한 조명 표면적의 비율)을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 구성은 광이 외측에 위치된 공급원으로부터 윈도우에 의해 진입되는 구성에 비해 더 양호한 조명 효율을 가능하게 하며; 또한, 배플은 조명 공급원이 회전 조립체 상에 위치되거나 처리 대상 물질 내에 침지된 관형 부분 상에 또는 탱크의 저부나 탱크의 지붕에 위치되는 구성에서보다 매우 더 큰 표면적을 제공한다. 또한, 본 발명의 구성은 탱크의 크기가 증가될 때 그 크기 수준이 유지될 수 있는 S/V 비율을 획득할 수 있게 하며; 따라서, 탱크의 높이 및 두 횡방향 치수가 비율 R로 증가되는 경우, 그리고, 판의 횡방향 치수와 탱크의 횡방향 치수 사이의 비율 및 이들 판의 높이와 탱크의 높이 사이의 비율도 그러한 경우, S/V 비율은 S/VR이 되며(탱크의 체적이 두배가 되는 것은 단지 S/V 비율의 20% 강하를 초래하며; 반대로, 탱크의 체적을 두배로 하면서 S/V 비율을 유지하기 위해서는 판의 횡방향 치수와 탱크의 횡방향 치수 사이의 비율을 20% 증가시키는 것으로 충분함); 조명 공급원을 보유하는 판의 수를 변화시킴으로써, 탱크의 체적이 10배 증가되는 경우, S/V 비율은 이들 판의 치수와 탱크의 치수 사이의 비율을 유지하면서 판의 수를 단순히 두배가 되게 하는 것에 의해 적어도 대략적으로 유지될 수 있다. 주어진 탱크에 기초하여, 탱크 설계자는 따라서 주어진 성능 레벨을 달성하기 위해 더 큰 치수의 탱크를 제공하기 위한 치수를 매우 쉽게 외삽할 수 있다. 따라서, 본 발명의 구성은 더 작은 탱크, 예로서, 프로토타입으로서 역할을 갖는 탱크에 기초하여 점증적으로 큰 탱크의 설계를 돕는 장점을 갖는다.
조명 공급원이 탱크의 내부 벽 부근에 위치된다(이들이 하나의 에지에 의해 그를 따라 연장하기 때문에)는 사실은 예로서 회전 조립체 상에서 처리 대상 물질 내에 구현되는 경우에 비해 외측과 공급원의 연결을 단순화한다.
조명 공급원이 탱크에 대해 정적인 판에 의해 보유되는 사실은 회전 조립체에 의해 점유되는 공간, 그 관성 또는 그 이동을 위해 요구되는 동력을 변화시키는 것을 피하게 한다.
사실, 다양한 기존 문헌의 추천과는 대조적으로, 탱크의 중심 부분으로부터 이격하여 조명 공급원을 배치한다는 사실은 매우 강력한 조명 공급원을 사용할 필요 없이 단위 체적당 높은 조명 출력을 획득할 수 있게 하는 것으로 드러났으며; 그 개별 출력이 온건한 경우에도 충분한 수의 조명 공급원을 이식하는 것으로 충분하고; 따라서, 본 발명의 구성은 공지된 해결책에서보다 낮은 설치 비용으로 양호한 조명을 가능하게 한다. 실제로, 회전 조립체에 의해 제공되는 혼합은 처리 대상 물질 전체가 조명으로부터 이득을 얻는 것을 보증하기에 충분하다. 그러나, 조명 공급원이 탱크의 내부 벽이 아닌 배플 상에 배치된다는 사실은 혼합 동안 이들 조명 공급원에 근접하는 처리 대상 물질의 분율을 최적화한다.
배플로서 기능하는 판 상에 조명 공급원을 배치하는 다른 장점은 이런 조명 공급원을 보유하기 위한 가용 표면적을 최대화하는 것이며; 사실, 복수의 조명 공급원은 상기 판의 면 각각 상에 분포된 조명 공급원을 포함할 수 있다.
조명 공급원을 보유하는 판은 고정식일 수 있다.
그러나, 유리하게, 조명 공급원을 보유하는 판은 탱크의 벽으로부터 탈착될 수 있으며, 따라서, 이들은 탱크로부터 추출될 수 있다. 장점은 이들 판을 위한, 그리고, 이들 조명 공급원을 위한 정비 작업 및 탱크의 정비 작업이 따라서 내부 벽에 의해 이들 공급원이 보유되는 구성에 비해 단순화된다는 것이다.
다른 장점은 동일 탱크가 다양한 조명 구성을 구비할 수 있다는 점이며(상이한 수 및/또는 상이한 특성의 개별 조명 공급원을 포함하는 다수 세트의 배플을 갖는 것으로 충분함); 또한, 다수 세트의 배플을 배치하는 사실은 상이한 조명 구성을 포함하든 그렇지 않든 정비 작업 동안 동작 중단을 최소화할 수 있게 하며, 그 이유는 한 세트의 배플이 정비되는 동안 다른 세트가 사용될 수 있기 때문이고; 유사하게, 고장의 경우에, 쉽게, 가능하게는, 유사한 복수의 조명 공급원을 구비하는 다른 판으로 해당 판을 단순히 교체한 이후에 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 조명 공급원이 발광 다이오드(줄여서 LED)이고; 이들은 그 구현법 및 그 용례 양자 모두에 관하여 잘 알려진 광의 공급원이다. 이런 공급원은 매우 다양한 방출 스펙트럼을 가질 수 있으며, 그 이유는 백색 LED(태양광을 모사)가 존재하지만, 또한, 감소된 스펙트럼 범위를 갖는 LED(예로서, 적색, 청색 또는 녹색 광에 중심설정됨)도 존재하기 때문이다. 이런 조명 공급원은 전구 등보다 적은 열을 발생하며; 또한, 이들은 이들 판의 주된 기능에 유해한, 두께를 초과하도록 증가시키지 않으면서 배플의 면 상에 이식될 수 있는 충분히 작은 치수를 갖는다.
조명 공급원의 스펙트럼은 가시적 범위에 있는 것이 유리하지만, 필요하다면, 또한, 가시적 범위 외측에, 예로서, UV 범위(예로서, 살균을 수반하는 용례에 대하여) 또는 적외선 범위(예로서, 처리 대상 물질 내에 열을 발생시키는 것을 지향하는 용례에서)에 있을 수 있다.
조명 공급원은 매우 다양한 제어 체계(용어 동작 체계가 사용될 수도 있음)를 가질 수 있다.
따라서, 복수의 조명 공급원은 다수의 하위조립체로 구성될 수 있으며, 이들 하위조립체 각각의 조명 공급원이 특정 방출 스펙트럼을 갖는 것이 가능하다. 추가적으로 또는 대안적으로, 복수의 조명 공급원은 연속적이든 주기적이든 일정하거나 가변적인 강도를 갖는, 동일한 여기 체계를 각각 갖는 다수의 하위조립체로 형성된다. 전술한 선택사항 중 하나 또는 다른 것에 추가로, 또는 대안적으로, 복수의 조명 공급원이 작동 조립체에 연결되어 조명 공급원 중 적어도 일부가 연속 체계, 섬광 체계 또는 주기적으로 방출 스펙트럼을 갖고 발광 또는 비발광 모드에서 동작(즉, 이들은 해당 순간에 따라서 켜지거나 꺼짐)될 수 있다.
설명한 바와 같이, 탱크는 그 자체가 공지된 바와 같이, 원통형일 수 있으며, 따라서, 소정 직경을 가질 수 있고; 이 경우, 조명 공급원을 보유하는 판은 직경의 5%와 20% 사이, 바람직하게는 7.5%와 15% 사이, 예로서, 10%에 포함되는 반경방향 치수를 갖는 것이 유리하다.
조명 공급원이 캡슐화되는 재료는 준수하기를 원하는 기술적 제약에 따라 선택된다. 따라서, 이는 처리 대상 물질과의 그 공존성에 추가로 광 및 열 양자 모두에 대해 양호한 전송 특성을 갖는 열가소성 재료인 것이 바람직하다. 따라서, 이 재료는 처리 대상 물질로의 조명 공급원에 의해 생성되는 열의 양호한 배출이 가능하며, 그에 의해, 처리 대상 물질이 히트 싱크로서 작용하고; 사실, 캡술화 재료는 조명 공급원이 LED 광 공급원인 경우에도 조명 공급원에 의해 생성되는 열을 처리 대상 물질 내로 배출하는 것이 가능한 것이 유리하다. 대안적으로, 열(반응기 내의 발열 공정에 의해 생성되거나 LED에 의해 생성됨)을 배출하기 위한 회로는 배플의 두께 내에 제공될 수 있다. 또한, 이런 재료는 탱크의 살균 또는 탈오염 동안 사용될 수 있는 것들 같은 100℃과 150℃ 사이의 높은 온도를 견딜 수 있어야 하는 것이 권장된다. 이런 살균 또는 탈오염 동작은 이들 판 또는 배플이 제거가능할 때 탱크에 독립적으로 판 또는 배플 상에서 수행될 수 있다.
처리 대상 물질이 미생물로부터 형성될 때, 조명 공급원의 캡슐화를 위한 재료는 해당 캡슐화 재료에 의한 임의의 물질 오염 위험을 피하도록 침전 없이 생성물에 대해 완전히 불활성인 것이 바람직하다.
특히 적합한 재료는 폴리설폰이며, 이는 식품 표준(식품 의약품국 또는 약어로 FDA의 미국 표준을 포함)과의 양호한 공존성, 양호한 열 전도 계수(미생물 물질로의 열의 배출을 가능하게 함) 및 재료가 1 mm과 5 cm 사이에서 선택된 두께를 갖는 경우에 양호한 광 전달을 가능하게 하는 반투명 특성을 조합하여 갖고 있고; 또한, 이 재료는 세제 또는 산을 사용한 세정이나 살균을 위한 잠재적 열처리 이후에 그 특성을 유지한다. 원하는 특징의 조합이 변경되는 경우, 다른 재료, 예로서, 폴리우레틴, 폴리 프로필렌, 아크릴 재료 또는 폴리카보네이트가 선택될 수 있다.
실제로, 복수의 조명 공급원을 보유하는 판의 수는 바람직하게는 4와 10 사이에 포함되는 것이 바람직하며, 이들은 회전 조립체 둘레에 규칙적으로 분포되지만; 소정 시기에는 더 적은 수의 판이 사용될 수 있다.
본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조로 예시적인 비제한적 예로서 주어진 이하의 설명으로부터 명백하다.
- 도 1은 본 발명에 따른 반응기의 축방향 단면도이다.
- 도 2는 해당 반응기의 횡단면도이다.
- 도 3은 복수의 조명 공급원을 포함하는 판의 일 예의 상세도이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 반응기의 개략도이며; 이는 여기서 예로서 미소 조류인 미생물로부터 형성된 바이오매스에 의해 구성된 처리 대상 물질의 처리에 관련하여 설명되지만; 이하의 설명은 화학적 또는 물리 화학적 다른 유형의 반응기에도 적용된다는 것을 이해하여야 한다. 이 생물반응기 또는 발효통은 전체가 10으로 표시되며; 이는 주로 미생물(미도시) 물질을 수용하도록 구성된 탱크(11), 해당 미생물 물질의 혼합을 제공하도록 구성된 축 Z-Z 둘레에서 회전하는 조립체(12) 및 해당 미생물 물질의 성장을 촉진하도록 구성된 복수의 조명 공급원(13)을 포함하고; 해당 탱크(11)는 내부 벽을 가지며, 이 내부 벽에는 판(14)이 체결되고, 판의 평면은 회전 조립체의 축을 향해 배향되고 그에 평행하며, 그래서, 회전 조립체의 작용 하에 미생물 물질 내에서 소용돌이의 형성을 방지하며; 이런 판(14)은 회전 조립체가 일반적으로 포함하는 혼합 블레이드(12A)로부터 구별하여 배플이라고 일반적으로 지칭된다.
이런 반응기는 그 용례에 따라서, 특히 바이오매스에 의해 처리 또는 열화되는 생성물을 위한 입구 통로 또는 바이오매스의 증식을 위한 당 같은 반응물 또는 영양물 성분을 위한 공급 통로, 공기나 가스를 위한 입구 또는 출구 통로 또는 미생물의 인출을 위한 통로 같은 다른 부재(미도시)를 포함할 수 있다.
조명 공급원(13)은 상기 판에 의해 보유되며, 적어도 이들을 보유하는 이들 판의 부분과 함께 미생물과 공존가능하면서 탱크 내부를 향해 상기 광이 확산될 수 있게 하는 두께인 재료(미도시) 내에 캡슐화된다. 바람직하게, 이런 판의 면 위에 분포된 조명 공급원은 해당 면의 전체를 덮는 재료에 의해 캡슐화된다.
예로서, 도 3은 이런 판(14)의 세부사항을 나타낸다. 하나의 컬럼의 공급원이 다른 컬럼의 가장 근접한 공급원의 것들 사이에서 중간 레벨에 배치되도록 두 개의 컬럼 내에 배치되어 있는, 작은 원의 형태로 개략화된 제1 세트의 조명 공급원(13A)을 여기서 볼 수 있다. 물론, 더 많은 수의 컬럼이 존재할 수 있고, 공급원은 직사각형 그룹을 형성하도록 엇갈린 배열로 배치될 수 있다.
도시된 예에서, 제1 세트의 구성과 유사한 구성으로 배치된, 작은 십자가 형태로 개략화되어 있는 제2 세트의 조명 공급원(13B)을 또한 볼 수 있으며, 이 제2 조립체의 공급원은 여기서 제1 조립체의 공급원과 교번되도록 배치되고, 즉, 이들은 도 3의 평면에 수직인 두 개의 중첩된 컬럼에 배치되어 있고, 한 세트의 컬럼의 공급원은 다른 세트의 대응 컬럼의 공급원과 교번 배치된다. 변형예로서, 제2 세트의 컬럼은 다른 세트의 컬럼과 교번될 수 있으며, 제1 세트의 컬럼의 수와는 다를 수 있는 2개를 초과한 수일 수 있다.
여기서 조명 공급원은 판의 양 면 위에 분포되고, 공급원(13A)은 면 중 하나에 배치되며, 공급원(13B)은 대향 면 상에 배치된다.
사실, 조명 요건에 따라서, 소정 판의 단지 일 측부 상에만 공급원이 존재할 수 있거나, 이런 판의 양 면 상에 상반되는 공급원들이 분포될 수 있다. 일 면 상에 배치된 공급원은 다른 면 상의 공급원의 분포에 기초하여 중첩 배열로 분포될 수 있거나 반대로 서로 보완하도록 분포될 수 있으며; 서로 독립적으로 양 면에 배치된 공급원도 존재할 수 있다.
판의 양 면 상에 조명 공급원이 존재할 때, 캡슐화 재료는 양 면 상에서 판을 덮고, 이는 판 상에 재료의 양호한 보유를 촉진한다. 양호한 기계적 보유의 동일한 이유로, 공급원이 하나의 면 상에만 배치될 때에도, 공급원을 보유하는 면을 재료가 덮을 뿐만 아니라 나체(bare)로 남아있는 면도 덮는 것이 바람직하다는 것을 이해할 수 있다.
바람직하게, 조명 공급원은 줄여서 LED라고도 지칭되는 발광 다이오드이다. 이런 공급원은 특히 작은 부피와 낮은 전기 소비를 가지며, 다른 공지된 조명 공급원에 비해 소량의 열을 발생하고; 유기 LED(또한, 소위 OLED)가 사용될 때, 그 두께는 매우 작을 수 있다. 변형예로서, 이들 조명 공급원은 탱크 외측에 배치된 하나(또는 그 이상)의 공급원(들)로부터 연장하는 광섬유의 그룹의 단부에 의해 구성될 수 있다.
조명 공급원은 동일한 여기 체계를 갖는다는 점에서 모두 동일할 수 있지만; 변형예로서, 탱크 내에 수용된 조명 공급원은 다수의 하위조립체로 분포될 수 있고, 각 하위조립체는 유리하게는 균일하게 분포된 단일 조명 공급원 또는 다수의 조명 공급원을 수용할 수 있고, 각 하위조립체는 다수의 동작 파라미터-전체점등 전체소등 조명 또는 강도가 변할 수 있는 연속 조명-에 따라 개별적으로 동작될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러나, 예로서, 하나의 하위조립체는 백색광을 방출하고, 다른 하위조립체는 청색 범위에서 발광하며, 다른 하위조립체는 적색 범위에서 발광하는 등, 특정 방출 스펙트럼을 각 하위조립체에 부여하는 것이 더 간단할 수 있으며; 필요에 따라서, 조작자는 원하는 조명 체계를 위해 적합한 하위조립체만을 여기시키도록 선택할 수 있다.
실제로, 충분한 조명을 획득하기 위해, 모든 가용한 공급원을 사용하는 것이 유리하다.
조명 공급원의 주된 가능한 여기 체계는 다음과 같다:
- 예로서, 1 내지 150 kHz 범위일 수 있는 주파수의 섬광 체계,
- 자연 조명을 모사하도록 느린 변화를 가질 수 있는 연속 체계.
어떤 체계이든, 변화가 존재한다면, 1초 내지 24시간의 범위의 사이클을 제공할 수 있다.
이들 다양한 체계는 그 공칭 출력의 0%와 100% 사이에서 필요에 따라 선택된 레벨로 그 여기를 제어함으로써 공급원에 전력을 제공하는 것을 포함한다.
이들 공급원은 실제로 1과 3000 micro-Einstein 사이에 포함되는 전체 조명 출력을 갖도록 선택된다. 이런 범위는 화학 처리 및 살균 처리를 달성할 수 있게 한다.
미소 조류의 성장을 위한 생물반응기의 경우에, 따라서, 필요에 따라, 특히 자가영양식 또는 혼합영양식인 체계 중 하나 또는 다른 것을 모사하는 것이 가능하다는 것을 이해할 수 있다.
따라서, 조명 공급원의 유형으로의 균질 구획 또는 가능하게는 조합될 수 있는 상반된 복수의 조명 공급원의 다수 구획을 갖는 것이 가능하다.
제1 예에 따라서, 복수의 조명 공급원은 다수의 하위조립체로 구성될 수 있으며, 이들 하위조립체 각각의 조명 공급원은 불변 또는 가변 강도를 갖는 특정 방출 스펙트럼을 갖는다.
제2 예에 따라서, 복수의 조명 공급원은 일정하거나 가변적 강도를 갖는, 연속적 또는 주기적으로 동작하는 동일한 여기 체계를 구비하는 다수의 하위조립체로 구성된다.
제3 예에 따라서, 복수의 조명 공급원은 조명 공급원 중 적어도 일부가 발광 또는 비발광 모드에서, 섬광식 체계로, 연속적으로, 임의의 사이클을 갖거나 갖지 않는 상태로 동작될 수 있도록 작동 조립체에 연결된다.
그러나, 이들 다양한 가능성에도 불구하고, 단순히 판 상에 단일 유형의 조명 공급원을 갖는 선택이 높은 실용적 가치를 갖는다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 반응기는 높은 동작 유연성을 가지며, 따라서, 매우 다양한 가치를 갖는다.
조명 공급원을 구비하는 배플은 상호교환가능하도록 동일한 것이 유리하지만; 조명 공급원을 갖는 배플과 조명 공급원을 갖지 않는 배플이 존재할 수 있다.
배플 판의 단위 표면적당 조명 공급원의 밀도는 필요에 따라 선택될 수 있고(특정 용례에서, 이 밀도는 가변적일 수 있고, 단부에서 감소되거나 심지어 0일 수 있으며, 중간 높이에서 가장 크고; 변형예로서 단부들을 배제하고 판의 높이의 일부에 걸쳐서만 조명 공급원이 존재함); 이들 공급원이 OLED일 때, 이들은 실질적으로 인접하도록 배치될 수 있고; 실제로, 조명 공급원은 단지 수 밀리미터(예로서 0.5 cm) 내지 미터 수준까지의 범위(높이 및/또는 폭)에서 큰 자유도로 선택될 수 있는 단차 크기로 규칙적으로 분포된다.
반응기의 동작은 온도, pH, 용존 산소의 양, 혼합 속도, 압력 등 같은 다른 동작 파라미터를 포함한다. 그러나, 이들 파라미터가 본 발명에 따른 조명 공급원의 구성에 의해 변경되지 않기 때문에, 이들은 여기에서 상세히 설명되지 않는다.
특히, 이들이 유기 LED일 때, 공급원은 단순히 접합에 의해 배플에 체결될 수 있다.
그 자체가 통상적인 방식으로, 탱크 및 배플은 일반적으로 스테인레스 스틸 또는 등가물로 이루어지지만, 필요에 따라 다른 재료가 선택될 수 있다.
그 자체가 공지되어 있는 바와 같이, 탱크는 원통형인 것이 유리하다. D가 그 직경이고, H가 그 높이인 경우, 조명 공급원을 보유하는 판은 바람직하게는 7.5%와 15% 사이에 포함되는, 예로서, 10% 수준(통상적으로 9%와 11% 사이)의 반경방향 치수를 갖는다. 이는 이들 판에 의해 제공되는 배플 기능과 공존가능하다.
특히 유리한 방식에서, 조명 공급원을 보유하는 판은 탱크의 벽으로부터 탈착될 수 있다. 이는 매우 용이한 정비를 향상시킬 뿐만 아니라 조명 공급원의 정확한 밀도를 갖는 판을 선택하거나 이런 조명 공급원을 보유하는 판의 수를 변경함으로써 소정 탱크를 소정 용례에 적응시키기 위한 현저한 용이성을 제공한다.
도 1 및 도 2의 예에서, 탱크는 배플로서 기능하는 네 개의 판(14)을 구비한다. 이러한 수는 변경될 수 있다는 것을 이해하여야만 하며; 이는 더 적을 수 있거나(단일 배플이 충분히 적어도 부분적 배플 효과를 제공할 수 있음), 이는 심지어 더 많을 수 있지만; 이를 2 내지 10의 범위(예로서 4 내지 10)의 범위에서 선택하는 것이 유리하며, 이러한 수는 소용돌이 방지 역할을 유지하기 위해 탱크 직경의 증가에 따라 더 커질 수 있다는 것을 명시해둔다. 실제로, 이들 판은 회전 조립체 둘레에 규칙적으로 분포된다.
바람직하게는, 배플로서 기능하는 모든 판은 조명 공급원을 구비하지만, 배플 판의 단지 일부를 조명 공급원을 위한 지지체로서 기능하도록 제공하는 것이 가능하며; 이는 용례에 의존한다.
조명 공급원이 캡슐화되는 재료는 시간에 걸쳐 그 지지 판에 대한 이들 공급원의 부착을 촉진하면서 탱크가 수용할 수 있는 미생물에 대해 공급원을 보호하도록 기능한다. 이 재료의 선택은 고려되는 탱크의 가능한 용도에 의존하며; 일반적으로, 이 재료는 공급원에 의해 생성된 광의 양호한 외향 확산, 바람직하게는 열의 양호한 확산을 가능하게 하면서 미생물과 공존할 수 있어야하지만; 이러한 기능은 재료에 의존할 뿐만 아니라 공급원을 덮는 재료의 두께에도 의존한다는 것을 이해할 수 있다(캡슐화 역할이 작은 두께로 달성되는 경우, 재료는 본질적으로 투명할 필요는 없으며; 단지 부분적으로 투명할 수 있다).
미소 조류의 발효의 경우에, 폴리설폰이 특히 적절한 재료인 것으로 판명되었으며, 이는 식품 표준에 관하여 미소 조류와 공존가능하고, 반투명하며, 높은 온도에서의 살균 처리 및 세제와 산에 의한 세정을 견딜 수 있으며; 그러나, 다른 재료도 고려되는 특성에 따라 선택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
탱크의 직경에 대한 배플의 폭 및 이들 배플의 수인 두 가지 파라미터를 다루는 것에 의해, 이하의 표에 나타난 바와 같이 넓은 체적 범위 내에서 실질적으로 일정하게 유지되는 단위 체적당 조명 표면적을 달성하는 것이 가능하다는 것을 주목할만하다:
* "V"는 탱크의 유용 체적을 나타내고(m3 단위),
* "H"는 외피 링의 높이를 나타내고(m 단위),
* "Di"는 탱크의 내경을 나타내고(m 단위),
* "CP"는 배플을 나타내고,
* "CP/Di"는 탱크의 직경과 배플의 반경방향 치수 사이의 비율을 나타내고,
* "S(CP)"는 배플의 양 면의 전체 표면적을 나타내고(m2 단위),
* "N(CP)"는 조명 공급원을 구비한 배플의 수를 나타내고,
* "Stot"는 배플의 전체 표면적을 나타내고(m2 단위),
* "Scp/V"는 탱크의 단위 체적당 조명의 표면적을 나타낸다(m2/m3 단위).
CP/Di 비율을 7%와 13% 사이에서 변할 수 있게 함으로써, 그리고, 조명 공급원을 구비한 배플의 수를 1(프로토타입 탱크)과 10 사이에서 변화시킴으로써, 단위 체적당 조명 표면적은 0.75 m2/m3 +/- 0.05 m2/m3의 범위에서 유지될 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
Figure pct00001
본 발명은 매우 다양하게 이루어질 수 있는 생물반응기 및 발효통에 적용된다는 것을 이해하여야 한다.
따라서, 이들 생물반응기는 바이오-생산, 예로서, 광합성, 유기영양식 또는 혼합영양식 미생물 바이오매스, 광촉매의 생산 및 예로서 폐수 처리를 위한 유출물 처리를 위한 반응기일 수 있다.
미생물은 엽록체를 포함하거나 그렇지 않을 수 있다. 전혀 포함하지 않는 것들에 대하여 이들은 광수용체를 통해 색소를 생산한다는 것을 발견할 수 있었다.
미생물은 특히 박테리아, 균류, 미소 조류 등일 수 있다.
그러나, 상술한 언급은 또한 살균이나 탈오염을 위한 반응기 또는 예로서 감광성 촉매에 의한 처리를 위한 반응기 같은 물리적 또는 물리화학적 처리를 위한 반응기에도 적용된다.
광 공급원은 예로서, 교번적 조명을 제공하는 청색 또는 적색 LED를 구비하는 LED들(하나 이상의 파장을 갖는 시스템), 광섬유, UV 램프 등일 수 있다. 조명 스펙트럼은 사실 가시적 범위 밖에 있을 수 있다.
도시된 탱크는 수직으로 배치된 대칭 축을 갖지만, 상술한 언급은 경사진 축을 갖는 탱크의 경우로 일반화될 수 있다는 것을 이해할 수 있으며, 이 경우, 높이 및 폭의 개념을 종방향 또는 축방향 치수와 횡방향 치수의 개념으로 대체할 수 있다(탱크는 원통형이 아닐 수 있다는 것을 상기하여야 한다).
상술한 구성의 한 가지 장점은 탱크의 체적에 대한 조명 표면적의 비율을 대략 일정하게 유지하면서 다른 규모로 바꾸어질 수 있다는 것이며, 조립체는 생물반응기 또는 발효통의 경우 현장 세정 또는 살균의 동작에 내성적이라는 것을 이해할 수 있다.

Claims (10)

  1. 처리 대상 물질을 수용하도록 구성되는 탱크(11)를 포함하는 반응기(10)이며,
    탱크는 해당 처리 대상 물질의 혼합을 제공하도록 구성되는 축(Z-Z) 둘레로 회전하는 조립체(12)를 구비하고, 또한, 해당 물질의 처리를 촉진하도록 구성된 복수의 조명 공급원(13, 13A, 13B)을 구비하고,
    상기 탱크는 내부 벽을 가지며, 이 내부 벽에는 판(14)이 체결되고, 이 판의 평면은 회전 조립체의 축을 향해, 그리고, 그에 평행하게 배향되어 회전 조립체의 작용 하에서 처리 대상 물질 내의 소용돌이의 형성을 방지하며,
    상기 조명 공급원은 상기 판에 의해 보유되고, 탱크의 내부를 향해 상기 광이 확산될 수 있게 하는 두께를 가지면서 처리 대상 물질과 공존할 수 있는 재료에 적어도 조명 공급원을 보유하는 이들 판의 부분과 함께 캡슐화되는 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 조명 공급원은 상기 판의 면들 각각에 분포된 조명 공급원(13A, 13B)을 포함하는 반응기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조명 공급원을 보유하는 판(14)은 탱크의 벽으로부터 탈착될 수 있는 반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 조명 공급원(13, 13A, 13B)은 발광 다이오드인 반응기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 조명 공급원은 다수의 하위조립체를 포함하고, 이들 하위조립체 각각의 조명 공급원은 특정 방출 스펙트럼을 갖는 반응기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 조명 공급원은 조명 공급원 중 적어도 일부가 발광 또는 비발광 모드, 섬광 모드, 연속 모드 또는 주기적으로 동작될 수 있도록 작동 조립체에 연결되는 반응기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 탱크는 원통형이면서 소정 직경을 가지고, 조명 공급원을 보유하는 판은 해당 직경의 5%와 20% 사이에 포함되는 반경방향 치수를 갖는 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 조명 공급원이 캡슐화되는 재료는 조명 공급원에 의해 발생되는 열의 양호한 배출을 가능하게 하도록 선택된 열가소성 재료인 반응기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 조명 공급원이 캡슐화되는 열가소성 재료는 폴리설폰인 반응기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 조명 공급원을 보유하는 판은 수가 1 내지 10이고, 상기 수가 2보다 큰 경우, 회전 조립체 둘레에 규칙적으로 분포되는 반응기.
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